從在實(shí)驗(yàn)室條件下在有限數(shù)量的樣品上成功演示一種新的激光工藝，到將該工藝擴(kuò)大到大批量工業(yè)應(yīng)用，這是一個(gè)重要的步驟。特別是，有必要確定工藝參數(shù)的變化如何影響終結(jié)果，以便確定可接受的工藝輸入和操作范圍。

激光材料加工實(shí)際上是一個(gè)的術(shù)語(yǔ)，適用于各種各樣的應(yīng)用。表1總結(jié)了這些用途的主要類別以及為其服務(wù)的激光器。一方面，在汽車、造船和電器生產(chǎn)等行業(yè)，使用千瓦光纖和二氧化碳激光器切割和焊接金屬。在光譜學(xué)另一方面，紫外和超快激光器用于在微電子、顯示器和太陽(yáng)能電池制造的高精度工藝中鉆出微米大小的孔和刻劃薄膜。

工藝鑒定在所有這些領(lǐng)域都很重要，盡管主要關(guān)注點(diǎn)和主要考慮因素會(huì)隨著應(yīng)用范圍的變化而變化。例如，在許多鈑金切割應(yīng)用中，環(huán)境沒(méi)有得到很好的控制，并且進(jìn)料中經(jīng)常存在批次間的變化。在這種情況下，重要的是要開(kāi)發(fā)一種能夠在這些變化的情況下成功運(yùn)行的流程，通常用于自動(dòng)化、全天候使用，只需少的操作員干預(yù)。

相比之下，高精度工藝的制造環(huán)境通常受到嚴(yán)格控制。但是，保持更嚴(yán)格的機(jī)械公差的需要可能會(huì)更加重視精密夾具的開(kāi)發(fā)。超快過(guò)程尤其可能需要更好地控制光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，以便保持驅(qū)動(dòng)非線性效應(yīng)所需的高峰值功率。

成本是關(guān)鍵

無(wú)論制造任務(wù)的具體情況如何，工藝評(píng)定程序的個(gè)輸入是制造商對(duì)工藝必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)的聲明。具體而言，這涉及到為所有工藝結(jié)果設(shè)置標(biāo)稱值和公差，例如激光鉆孔的直徑、深度和位置。

工藝鑒定的下一個(gè)關(guān)鍵輸入是成本。對(duì)于大多數(shù)制造商來(lái)說(shuō)，實(shí)際的衡量標(biāo)準(zhǔn)是每個(gè)零件的成本。必須從一開(kāi)始就考慮這種投入，因?yàn)槿魏涡碌纳a(chǎn)方法只有在比現(xiàn)有方法更便宜的情況下才能用于完成相同的任務(wù);當(dāng)它提供明顯更大的運(yùn)營(yíng)靈活性時(shí);或者當(dāng)它允許生產(chǎn)商以提高自己對(duì)消費(fèi)者的價(jià)格的方式增加產(chǎn)品的功能或價(jià)值時(shí)。

有幾個(gè)因素會(huì)影響每個(gè)零件的成本。明顯的是生產(chǎn)設(shè)備的資本成本及其擁有成本特征，如功耗、其他消耗品和維護(hù)成本。然而，還有許多其他因素。例如，生產(chǎn)率，即在給定時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)的零件數(shù)量，通常是一個(gè)重要的考慮因素，尤其是當(dāng)工藝生產(chǎn)瓶頸時(shí)。此外，機(jī)器的增量容量也可能是一個(gè)考慮因素。具體來(lái)說(shuō)，從風(fēng)險(xiǎn)調(diào)解的角度來(lái)看，使用幾個(gè)容量較低的機(jī)器會(huì)更好嗎?盡管它們的成本效益較低?工藝產(chǎn)量、所需返工水平或某種形式的后處理(如零件清潔)的需求也直接影響成本。

另一個(gè)重要的成本問(wèn)題是支持設(shè)備所需的人力。設(shè)備是否需要操作員?如果需要，操作員的技能水平如何?這臺(tái)新機(jī)器能很容易地與其他生產(chǎn)設(shè)備集成嗎?如有必要，它是否適用于自動(dòng)零件裝載和卸載?

機(jī)器的維護(hù)要求也可能影響人力預(yù)算，特別是如果制造商需要配備專業(yè)人員來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)的日常維護(hù)和調(diào)整。這是基于激光的設(shè)備的一個(gè)特別考慮因素，因?yàn)榧す夂?a target="_blank">光學(xué)調(diào)整可能超出了公司現(xiàn)有維護(hù)人員的專業(yè)知識(shí)范圍。當(dāng)然，無(wú)論是日常維護(hù)還是維修的停機(jī)時(shí)間，加上維修本身的成本，也會(huì)對(duì)成本產(chǎn)生重大影響。

過(guò)程變量

一旦確定了所有這些因素的目標(biāo)，那么工藝鑒定就涉及到開(kāi)發(fā)一種滿足這些成本和質(zhì)量限制的生產(chǎn)方法，并且可以大規(guī)模復(fù)制。從本質(zhì)上講，過(guò)程鑒定是一門統(tǒng)計(jì)學(xué)學(xué)科。在少量零件上證明給定的工藝是不夠的，因?yàn)檫@將無(wú)法顯示當(dāng)工藝擴(kuò)大到更大的數(shù)量時(shí)自然發(fā)生的潛在變化。因此，必須進(jìn)行足夠的測(cè)試，以產(chǎn)生足夠大的樣本量，從而可以確定批量生產(chǎn)中預(yù)期的零件間變化水平的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖2:工業(yè)超高速激光器，如Coherent股份有限公司Monaco(400-fs脈寬)，在高精度材料加工中越來(lái)越受歡迎。與較長(zhǎng)的脈沖寬度相比，它們的高峰值功率和短脈沖寬度可減少熱影響區(qū)(HAZ)，并降低燒蝕閾值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種金屬、半導(dǎo)體和有機(jī)材料的高精度加工。由Coherent股份有限公司提供。

有幾個(gè)因素導(dǎo)致了剛才提到的過(guò)程輸出的變化。一些明顯的因素包括材料、夾具、激光輸出、光束輸送、環(huán)境條件和其他工藝輸入條件，如電源或冷卻水供應(yīng)。值得更詳細(xì)地研究這些因素。

在現(xiàn)實(shí)世界的制造環(huán)境中，材料通常來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商，即使在單個(gè)供應(yīng)商的產(chǎn)品中，也可能存在批次間或單位間的不一致。這些變體可以大致分為兩類。首先是尺寸變化，如厚度，這顯然會(huì)影響切割和鉆孔等過(guò)程。

第二種類型的材料變化是固有的，或者是材料本身性質(zhì)的差異，例如吸收或反射特性、折射率、熱導(dǎo)率、內(nèi)應(yīng)力特性、化學(xué)成分等。這些變化可能直接影響激光與材料的相互作用，并改變工藝結(jié)果。

就激光輸出而言，影響工藝結(jié)果的明顯變量是激光功率或脈沖能量。此外，許多工藝對(duì)脈沖形狀很敏感，尤其是在決定峰值功率的程度上。這對(duì)于超快激光器來(lái)說(shuō)尤其關(guān)鍵，因?yàn)槌旒す馄魍ǔＭㄟ^(guò)非線性過(guò)程與材料相互作用，而非線性過(guò)程必然高度依賴于峰值功率。

周圍環(huán)境條件的變化，特別是溫度和濕度的變化，會(huì)以多種方式影響一個(gè)過(guò)程。例如，光學(xué)機(jī)械支架和光學(xué)器件本身都可能以改變光束指向或光束形狀的方式對(duì)溫度變化做出響應(yīng)。這會(huì)更改焦點(diǎn)的幾何圖形或位置，當(dāng)生成較小的特征時(shí)，這一點(diǎn)變得更加關(guān)鍵。同樣，由于燒蝕速率是注量的函數(shù)，因此尺寸以及靶上的注量對(duì)于超快激光器來(lái)說(shuō)尤其關(guān)鍵。

即使在沒(méi)有任何環(huán)境波動(dòng)的情況下，機(jī)械零件的性能也總是存在變化。例如，如果零件被裝載到給定的機(jī)械夾具中1000次，那么每次零件實(shí)際所在的位置都會(huì)有分布。

現(xiàn)實(shí)中的過(guò)程鑒定

理論上，確定每個(gè)過(guò)程變量可接受極限的理想方法是單獨(dú)改變每個(gè)參數(shù)，同時(shí)保持所有其他參數(shù)不變，然后觀察這種變化對(duì)結(jié)果的影響。

然而，這種方法不切實(shí)際，而且通常是不可能的。這是因?yàn)樵诮o定的過(guò)程中通常存在大量的變量，其中一些變量，例如激光脈沖形狀，不能容易地確定地變化。

因此，現(xiàn)實(shí)世界中的過(guò)程鑒定通常從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始。具體而言，這涉及到選擇系統(tǒng)組件，如激光器、光學(xué)支架和零件夾具，這些組件已經(jīng)證明在相關(guān)操作條件下隨時(shí)間推移是穩(wěn)定的。換言之，選擇高度穩(wěn)定的激光源消除了測(cè)試激光功率變化或脈沖間穩(wěn)定性影響的過(guò)程的需要。

圖3。為加工玻璃零件的長(zhǎng)度采集的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由Coherent股份有限公司提供。

此外，在某些情況下，沒(méi)有必要測(cè)試給定變量的影響。相反，一些開(kāi)銷只是簡(jiǎn)單地添加到流程中，以便它能夠正常工作，即使存在預(yù)期的變化。例如，可以在測(cè)試過(guò)程中確定，在理想條件下，激光切割過(guò)程可以在1m/s的進(jìn)給速率下成功操作。但是，由于已知在生產(chǎn)中會(huì)有材料變化，因此將生產(chǎn)進(jìn)給速率設(shè)置為0.8m/s以適應(yīng)這種情況。

當(dāng)然，這會(huì)對(duì)成本產(chǎn)生影響。以較慢的速度運(yùn)行工藝會(huì)降低產(chǎn)量，但也可能降低廢品率。因此，工藝鑒定的一個(gè)關(guān)鍵方面是確定哪些因素是關(guān)鍵的。具體來(lái)說(shuō)，什么結(jié)果對(duì)成品零件的正確操作是必要的，哪些參數(shù)不那么關(guān)鍵。

后，必須使用測(cè)試過(guò)程生產(chǎn)足夠數(shù)量的零件，以便對(duì)批量生產(chǎn)中預(yù)期的零件間變化水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)有效的確定。

展示玻璃應(yīng)用

回顧一個(gè)實(shí)際的過(guò)程鑒定示例可能有助于使這一切更加具體。在一個(gè)案例中，一家顯示器制造商與一家激光器制造商簽訂了合同，以確定使用超快激光器切割小于1毫米的薄玻璃的工藝。

該生產(chǎn)商一直在機(jī)械切割玻璃，但這需要在切割后進(jìn)行研磨和拋光，以提供所需的切割邊緣質(zhì)量。此外，機(jī)械切割不具備產(chǎn)生彎曲切割的能力，也不具備處理非平板玻璃的能力，這兩者都成為該應(yīng)用的要求。超快激光加工提供了克服所有這些缺點(diǎn)的潛力。為了使基于超快激光的工藝成為一種具有成本效益的替代技術(shù)，生產(chǎn)商確定了必要的生產(chǎn)率、公差和產(chǎn)量。

圖4 獲得的加工玻璃零件寬度的歸一化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由Coherent股份有限公司提供。

很快就確定，為了滿足處理時(shí)間要求，需要使用高速、電動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行零件定位的工作平臺(tái)。然后，任務(wù)變成了確定平臺(tái)移動(dòng)的加速度值之間的折衷，該值小化了處理時(shí)間，同時(shí)仍然產(chǎn)生在用戶的尺寸精度規(guī)范范圍內(nèi)的定位誤差。然后，目標(biāo)是找到具成本效益的控制器和階段包，能夠可靠地提供這種級(jí)別的性能。

使用不同階段加速度值進(jìn)行了一系列測(cè)試運(yùn)行，以確定這些權(quán)衡。連續(xù)三天重復(fù)這些測(cè)試，每天重復(fù)幾次，以證明隨著時(shí)間的推移和環(huán)境操作條件的變化，該過(guò)程是穩(wěn)定的。測(cè)試還利用了幾個(gè)批次的零件來(lái)說(shuō)明材料的批次差異。特別是，客戶已經(jīng)將玻璃內(nèi)部應(yīng)力的變化確定為影響終結(jié)果的問(wèn)題。

加工后，使用光學(xué)顯微鏡測(cè)量零件尺寸。此外，還采用了光學(xué)表面輪廓儀來(lái)測(cè)量表面質(zhì)量。由此，為切割件的長(zhǎng)度和寬度尺寸以及加工邊緣表面粗糙度的分布組裝了結(jié)果的統(tǒng)計(jì)圖(圖3-5)。長(zhǎng)度和寬度圖是測(cè)量的特定尺寸的直方圖，以及制造商提供的規(guī)格上限(USL)和規(guī)格下限(LSL)。此外，還顯示了測(cè)量值分布的理想擬合線。

圖5 已加工玻璃零件的邊緣粗糙度的歸一化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由Coherent股份有限公司提供。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，計(jì)算出工藝能力的統(tǒng)計(jì)量(Cpk)。Cpk是一個(gè)數(shù)字，它量化了一個(gè)過(guò)程相對(duì)于過(guò)程的自然變異性與規(guī)范限制的執(zhí)行程度。Cpk的值越高，生產(chǎn)的任何給定零件超出規(guī)格限制的可能性就越小。例如，Cpk值1.33表示99.99%的工藝產(chǎn)率。

在本例中，通過(guò)在連續(xù)三天的三次運(yùn)行中確定機(jī)械公差的Cpk值，對(duì)該過(guò)程進(jìn)行了鑒定。這些圖顯示了組合數(shù)據(jù)的能力。更具體地說(shuō)，它們繪制的是與標(biāo)稱值的偏差，而不是標(biāo)注的實(shí)際值。Cpk值遠(yuǎn)大于2時(shí)，所配置的工藝被證明是高度可行的。此外，測(cè)量表面粗糙度，并計(jì)算出Cpk值為1.6。這再次表明，這一過(guò)程運(yùn)行得非常好。

總之，工藝鑒定是從“概念驗(yàn)證”階段進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)的必要步驟。由于終用戶并不總是很好地理解激光加工的細(xì)微差別，因此通常可以通過(guò)與具有進(jìn)行工藝驗(yàn)證研究能力的激光供應(yīng)商合作來(lái)好地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

審核編輯 黃宇